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摘要：本文對(duì)某低壓鑄造輪轂的模具進(jìn)行優(yōu)化，主要是針對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)該輪轂的正面造型及輻條結(jié)構(gòu)特征，從而對(duì)具有異形輻條結(jié)構(gòu)的鑄造方式進(jìn)行探索和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：輪轂：低壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化；水冷

前言

2018年，全國(guó)狹義乘用車(chē)銷量為2235萬(wàn)輛，同比下降5.8%，打破了中國(guó)乘用車(chē)市場(chǎng)銷量26年來(lái)的上升趨勢(shì)，并開(kāi)啟了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的汽車(chē)市場(chǎng)“至暗時(shí)刻”，上下游產(chǎn)業(yè)鏈動(dòng)蕩加劇，內(nèi)卷嚴(yán)重。而輪轂作為汽車(chē)上重要的外觀件和安全件，在產(chǎn)業(yè)鏈動(dòng)蕩中看似穩(wěn)如泰山的地位，加大了投資人對(duì)輪轂行業(yè)的投資熱情，導(dǎo)致現(xiàn)在產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩。作為安全件，我們要保證輪轂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，作為外觀件，我們也要保證輪轂的造型美觀。同時(shí)20年國(guó)家放開(kāi)了汽車(chē)輪轂的改裝政策，允許進(jìn)行同規(guī)格輪轂的個(gè)性化改裝，激活了國(guó)內(nèi)輪轂的汽車(chē)后市場(chǎng)。這使得輪轂的造型更加的多樣化，增加了鑄造難度。而輪轂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和涂裝質(zhì)量，都深受鑄造質(zhì)量的影響，而模具設(shè)計(jì)的好壞，更是直接影響鑄造的成型質(zhì)量和效率。

1低壓鑄造原理簡(jiǎn)介

汽車(chē)輪轂主要分為鋼制輪轂和鋁制輪轂。相較于鋼制輪轂，鋁輪轂所具有的輕量化、美觀、良好的減震性和散熱性等優(yōu)點(diǎn)，再加上國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)內(nèi)卷加劇，使得鋁輪轂逐漸成為主流。目前就乘用車(chē)市場(chǎng)而言，僅小部分車(chē)型的低配款采用鋼制輪轂，其余多數(shù)采用鋁合金鑄造或鍛造輪轂。而鋁合金輪轂制造工藝中，最主流的生產(chǎn)工藝便是低壓鑄造工藝。其將經(jīng)過(guò)干燥的壓縮空氣以一定的壓力作用在密封的保溫爐中A356.2鋁液液面上，使鋁液以一定的流速和流量沿升液管自下而上通過(guò)澆注系統(tǒng)充滿型腔。型腔中鋁液與模具進(jìn)行熱交換，在一定壓力下由上而下地順序結(jié)晶凝固到升液管處卸壓，澆口杯中的少量鋁液和升液管中的鋁液靠重力作用回流到保溫爐中。其基本原理如圖1所示。低壓鑄造輪轂，由于鋁液是在壓力下凝固，故逐漸組織細(xì)密，機(jī)械性能好，且具有較高的延伸性。

2低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)低壓鑄造原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的輪轂?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)如圖2所示。鋁液在20～60KPa的壓力作用下，通過(guò)下模中心的升液管和澆口杯進(jìn)入到模具型腔進(jìn)行充型，澆口同時(shí)起到帽口作用。模具上下模在輪轂輻條背腔線處進(jìn)行分型和上下模定位。外側(cè)輪輞則分為四塊等分的邊模，合模時(shí)四塊邊模緊抱住上下模，最終形成封閉的型腔。其中下模的澆口杯和升液管與下模分離，一是易損件為了方便更換，二則是防止升液管中鋁液溫度散失過(guò)快，二者均采用陶瓷材料。上模中分流錐頂?shù)撞糠蛛x，分流錐底部采用普通H13鋼，頭部采用鎢鋼，以提升分流錐的耐腐蝕性，增加使用壽命。

3輪轂?zāi)＞?a href="http://m.bjhyfc.net/article/827088.html" target="_blank">冷卻系統(tǒng)

汽車(chē)輪轂的低壓模具結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)基本定型了。其澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)都形成了比較固定的形式。只有冷卻形式一直在變，由最初的全風(fēng)冷，到局部水冷甚至全水冷或者水霧混合，各個(gè)成型廠都在摸索著適合自己工廠的冷卻工藝。通過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)輪轂?zāi)＞呃鋮s方式影響最大的便是輻條的結(jié)構(gòu)。而其結(jié)構(gòu)又直接影響著輪轂的正面造型。正是由于各式各樣的輪轂造型，導(dǎo)致了輪轂?zāi)＞叩睦鋮s方式也是五花八門(mén)。本文通過(guò)對(duì)某特殊造型的輪轂?zāi)＞呃鋮s系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程的描述，來(lái)淺談一下冷卻系統(tǒng)對(duì)成型質(zhì)量和效率的影響。

4冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

該輪轂配套某型號(hào)汽車(chē)高配車(chē)型，尺寸規(guī)格為18x7.5J，即高18英寸，寬7.5英寸，采用5°深槽輪輞，外觀為黑色全涂裝后正面精車(chē)，具體造型如圖3所示。其正面造型由一大兩小共15根輻條構(gòu)成，如果將一大兩小輻條看做同一輻條部分，則為傳統(tǒng)的五孔五輻條造型。而傳統(tǒng)五輻條造型，五根輻條寬大均勻，是非常好的鋁液通道和輪輞補(bǔ)縮通道，冷卻系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，采用全風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，如圖4所示。底模螺栓孔處采用整圈風(fēng)管B1，然后到輻條與輪輞的R角處，依次分布B2-B5四圈風(fēng)管。然后上模從輪盤(pán)中心處治輻條R角處，依次分布T1-T6六根風(fēng)管，與底模對(duì)應(yīng)。在邊模上，輻條R角處熱節(jié)的冷卻效果直接影響輪轂的鑄造質(zhì)量，所以也需要在此處設(shè)置冷卻風(fēng)管。在鑄造X光檢查站，出現(xiàn)最多的缺陷便是輻條此處R角不良，主要是冷卻不到位導(dǎo)致縮松。同樣但對(duì)于變種的該輪轂而言，其一大兩小輻條的冷卻方式便是該模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。首先我們來(lái)看三根輻條的截面形狀，如圖5所示。從圖中我們可以明顯看出，大輻條的截面積明顯大于兩個(gè)小幅條。如果在同一位置采用整圈風(fēng)冷，則會(huì)出現(xiàn)小幅條率先凝固，則達(dá)不到從內(nèi)輪緣由上往下并由外往內(nèi)的順序凝固要求，而且還會(huì)堵塞輪輞的補(bǔ)縮通道，造成輪輞澆不足和輻條疏松。針對(duì)這個(gè)輻條結(jié)構(gòu)的具體情況，我們?cè)诶鋮s系統(tǒng)方面做出了以下優(yōu)化。在輻條冷卻的環(huán)形風(fēng)管上，保留小幅條上的風(fēng)管，但提前進(jìn)行堵塞，使其上機(jī)之處小幅條冷卻風(fēng)管不出風(fēng)，專冷大輻條，如圖6所示。后續(xù)根據(jù)上機(jī)的具體情況，決定小幅條出風(fēng)量的大小。同時(shí)對(duì)小幅條的窗口面進(jìn)行隨型挖槽，壁厚比模具壁厚小2mm，并增加保溫棉，用以保證小幅條處有足夠的模溫，延長(zhǎng)其凝固時(shí)間。如圖7所示。圖6圖7最后是將邊模的冷卻形式由風(fēng)冷改為水冷。相較于風(fēng)冷，水冷屬于急速冷卻，其冷卻速度快，噪聲小，冷卻效果也好，并能有效降低冷卻時(shí)間，提升生產(chǎn)效率。但對(duì)于該輪轂特殊的輻條造型，我們?cè)陲L(fēng)冷改水冷上也比較糾結(jié)。因?yàn)槭且淮髢尚〉奶厥饨Y(jié)構(gòu)，在大輻條上用水冷是沒(méi)有問(wèn)題的。但在小幅條上加水冷，很可能會(huì)使本就脆弱的冷卻通道提前凝固，使鋁液無(wú)法順序凝固。但在鑄造工藝上，考慮到底模小幅條處鋁液的流動(dòng)性，我們?cè)谠瓌t上默認(rèn)底模B5風(fēng)冷不開(kāi)，B4視具體情況決定。這樣就能保證底模模溫，防止小幅條過(guò)早凝固。這就要求邊模的冷卻效果要更好，以彌補(bǔ)底模B5風(fēng)管關(guān)閉的不足，這種情況下采用邊模水冷是比較好的方式。針對(duì)邊模水冷，我們采用邊模整圈水冷，增加一個(gè)環(huán)形的水冷鑲件，然后在小幅條和輻條間窗口面增加隔熱槽，以保證冷卻效果重點(diǎn)作用在大輻條上。同時(shí)環(huán)形水冷能保證邊模整圈有一個(gè)比較均勻且略低的溫度。如圖8所示。模具回廠后，開(kāi)始首次上機(jī)試模。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整工藝，達(dá)到了首件合格的工藝要求，即輪轂各部位X光檢測(cè)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)圖9。但很遺憾沒(méi)有到達(dá)首件全部位零缺陷的理想狀態(tài)，在輻條與輪輞交接的R處，仍然存在一些三級(jí)一下的縮松和渣孔，如圖10。其初版工藝參數(shù)如下，充型時(shí)間38s，保壓時(shí)間150s，卸壓40s，總工時(shí)238s，采用三段充型，充型壓力最大850mbar。此次模具上機(jī)之初，我們將上下邊模的風(fēng)冷管道全部開(kāi)啟，結(jié)果導(dǎo)致小幅條凝固過(guò)早，補(bǔ)縮不及時(shí)，出現(xiàn)了澆不足和較大縮松。為了避免小幅條過(guò)早凝固，在后期我們關(guān)閉了T5和B5風(fēng)管，使輻條與輪輞連接的R角處全靠邊模風(fēng)管冷卻，并調(diào)低了下模B4風(fēng)管的出風(fēng)量，才最終達(dá)到首件合格。之后我們連續(xù)生產(chǎn)了60件，以驗(yàn)證該工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)自動(dòng)X光機(jī)全檢，該批次輪鑄造缺陷全部等級(jí)全部符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。之后產(chǎn)品經(jīng)過(guò)機(jī)加工和半成品涂裝，然后對(duì)涂裝半品精車(chē)正面，再噴透明粉完成產(chǎn)品下線。在終檢成品下線時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)精車(chē)后的小幅條正面存在批量的密集針孔，影響了整個(gè)正面造型。分析其原因，是在關(guān)閉上下模T5和B5風(fēng)管之后，下模小幅條位置過(guò)熱，雖然增加了鋁液的流動(dòng)性并減緩了凝固過(guò)程，但也導(dǎo)致了小幅條密集的小針孔。還未精車(chē)前僅憑X光很難發(fā)現(xiàn)。針對(duì)小幅條正面精車(chē)后密集針孔的問(wèn)題，我們?cè)谀＞吆凸に嚿献隽艘韵抡{(diào)整。取消B4和B5兩個(gè)風(fēng)管的整圈全輻條冷卻形式，改為做四根整圈風(fēng)管，分別對(duì)大輻條和小幅條進(jìn)行冷卻，即改為B4，B5，B6，B7。這樣在調(diào)機(jī)時(shí)，針對(duì)大輻條冷卻的B4和B6，可以按正常風(fēng)流量走，而小幅條的B5和B7風(fēng)，則可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)出風(fēng)量，使小幅條不至于過(guò)熱也不至于過(guò)早凝固。具體如圖11所示。上機(jī)試制之后，我們發(fā)現(xiàn)小幅條的鑄造缺陷有明顯改善，基本達(dá)到了零缺陷，在輻條R角處的縮松基本消失了。在精車(chē)之后，小幅條處的密集針孔問(wèn)題也得到了解決。

5總結(jié)

對(duì)于這種同時(shí)具有大小輻條且小幅條還要精車(chē)正面的異形輪轂結(jié)構(gòu)，其鑄造難點(diǎn)就在于對(duì)小幅條的冷卻的控制。過(guò)冷會(huì)造成補(bǔ)縮通道堵塞，過(guò)熱會(huì)使精車(chē)后出現(xiàn)密集針孔。針對(duì)這種情況，我們采用大小幅條分開(kāi)冷卻的形式，在保證大輻條冷卻效果的基礎(chǔ)下，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)小幅條的冷卻時(shí)間和出風(fēng)量，重點(diǎn)關(guān)注小幅條的鑄造質(zhì)量。但這也會(huì)造成一些問(wèn)題，一是下模增加了兩圈風(fēng)管，且與原有風(fēng)管的位置很接近，這對(duì)鉗工裝配時(shí)增加了難度。再就是小幅條出風(fēng)量的動(dòng)態(tài)調(diào)整，再自動(dòng)X光全檢的情況下，需要增加手動(dòng)X光的抽檢頻率。另外對(duì)于這次模具優(yōu)化過(guò)程中的一些不足也做一下總結(jié)。一是本次優(yōu)化過(guò)程主要依據(jù)的是資深鑄造工程師的自身經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有很好的結(jié)合模流軟件進(jìn)行CAE分析，進(jìn)行設(shè)計(jì)—分析—再設(shè)計(jì)的過(guò)程。這也是CAE分析―本廠化‖過(guò)程做得還不夠好，我們需要結(jié)合成型廠自身的實(shí)際情況和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的不斷磨合，形成具有本廠特色的經(jīng)驗(yàn)值，這樣才能使CAE結(jié)果更準(zhǔn)確，在鑄造工藝參數(shù)的確定中發(fā)揮更多的作用。再就是我們的生產(chǎn)工時(shí)并沒(méi)有得到提升。這次優(yōu)化雖然使鑄件質(zhì)量得到了提升，但在生產(chǎn)效率方面卻沒(méi)有明顯的改善。我們也計(jì)劃在該產(chǎn)品以后新開(kāi)的模具中，對(duì)上下模增加水冷卻結(jié)構(gòu)，以提升生產(chǎn)效率，這需要在后續(xù)進(jìn)行持續(xù)改善。

參考文獻(xiàn)

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[3]趙麗紅.《低壓鑄造鋁合金輪轂鑄型壁厚與鑄件壁厚的關(guān)系》

作者:蔣勤 單位:重慶戴卡捷力輪轂制造有限公司